Innovations en technologies jet d’encre pour produits plastiques

Innovations en technologies jet d'encre pour produits plastiques

La demande d'impression jet d'encre numérique sur des produits plastiques tridimensionnels croît de façon exponentielle. Les défis d'application pour obtenir des opérations robustes sont la chimie d'encre et la conception de tête d'impression optimales, la compatibilité entre l'encre et le substrat polymère, ainsi que la polymérisation. Cet article aborde les principaux facteurs de procédé, en associant la compatibilité de surface des polymères, pour étendre le jet d'encre à de nouvelles opportunités.

L'impression jet d'encre est bien plus complexe et délicate que l'impression analogique. Le jet d'encre exige que les buses projettent des gouttes de taille précise avec une exactitude parfaite. Les systèmes d'impression jet d'encre de haute qualité doivent intégrer simultanément têtes d'impression, fluides, contrôleurs électroniques, prétraitement et polymérisation. Tous ces éléments doivent fonctionner ensemble pour produire les résultats attendus. La plupart des entreprises qui investissent dans la technologie jet d'encre souhaitent décorer plusieurs substrats. Comme il existe souvent des différences chimiques et physiques importantes entre les plastiques, même au sein d'une même famille de polymères, il devient difficile d'imprimer sur tous les matériaux. Il existe donc un paradoxe technique de l'impression, illustré par un tabouret stable à trois pieds (figure 1).

Il existe trois principaux paramètres d'entrée du procédé, chacun représenté par un pied : 1) le substrat polymère, 2) l'imprimante jet d'encre et 3) la compatibilité de l'encre et du prétraitement. Tous les éléments doivent être stables pour obtenir une excellente qualité d'impression. Modifier l'un des pieds du procédé crée un déséquilibre qui oblige à modifier les autres. L'impression jet d'encre sur des géométries plastiques galbées est encore compliquée par le nombre relativement réduit d'imprimantes et de têtes d'impression proposées par les OEM. Chaque OEM limite les encres certifiées, mises au point pour une gamme restreinte. Une compréhension approfondie des subtilités de l'impression jet d'encre et de la science des surfaces permet d'atteindre des capacités et des résultats sans précédent.

Points clés

• Les encres UV polymérisent instantanément et n'émettent aucun solvant, mais n'adhèrent directement qu'à une gamme limitée de plastiques.
• Le liant se forme pendant la polymérisation, par réaction en chaîne de monomères et d'oligomères, contrairement à tous les autres types d'encre.
• La couleur à base de pigments seuls a de vraies limites. Les encres CMJN sont partiellement opaques et masquent les couches inférieures, ce qui exclut de nombreuses teintes Pantone directes très utilisées.
• La faible viscosité et la faible tension superficielle nuisent à l'adhérence sur les acétals, les polyoléfines et les polyuréthanes.
• Une encre mal polymérisée est dangereuse, et pas seulement de qualité esthétique médiocre.

Encres jet d'encre polymérisables aux UV

L'encre jet d'encre polymérisable aux ultraviolets (UV) est largement adoptée pour l'impression de produits plastiques tridimensionnels. Les encres polymérisables aux UV sèchent instantanément, adhèrent directement à un nombre limité de plastiques, n'émettent pas de solvants et sont disponibles pour certaines plateformes OEM. Étendre la gamme aux substrats polymères « difficiles à coller » exige une expertise de formulation sur mesure pour satisfaire aux exigences strictes de la décoration et de l'impression. Les formulateurs doivent connaître les chimies spécifiques qui fournissent des fluides pouvant être micro-projetés et les mécanismes de polymérisation qui assurent un durcissement rapide, ainsi que les propriétés physiques et chimiques de l'encre obtenue ; le travail est donc plus compliqué que pour tout autre type d'encre.

La plus grande partie de toute encre sèche est le liant : il emprisonne la couleur, la protège de l'abrasion et adhère à la surface. Le liant est généralement un polymère. L'impression avec encre UV diffère des autres types parce que le polymère se forme pendant la polymérisation par réaction en chaîne de monomères et d'oligomères. Les monomères sont des liquides de faible viscosité ; ils servent donc aussi de véhicule liquide de l'encre et éliminent le besoin d'eau ou de solvant, ce qui explique pourquoi les encres à polymérisation UV sont à 100 pour cent d'extrait sec et constituent d'excellentes alternatives aux encres à solvant. Les oligomères (molécules réactives plus grosses) possèdent de multiples fonctionnalités chimiques et sont essentiels à la bonne construction du liant.

La polymérisation est déclenchée par une brève exposition à la lumière UV, un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde plus courte et d'énergie plus élevée que la lumière visible. Le proche UV (longueur d'onde de 390 à 200 nanomètres) est utilisé pour la plupart des polymérisations UV. Il se subdivise en UV-A (390-320 nanomètres) ou ondes longues, UV-B (320-280 nanomètres) ou ondes moyennes et UV-C (280-200 nanomètres) ou ondes courtes. Outre le proche UV, les autres catégories d'UV comprennent l'UV lointain (200-10 nanomètres) et l'UV profond (31-1 nanomètres). La longueur d'onde de crête la plus courante pour les lampes UV classiques à mercure est de 365 nanomètres, aussi appelée raie I du mercure (spectre lumineux).

Les composants réactifs aux UV sont les photo-initiateurs : des composés qui absorbent l'énergie et se scindent pour produire des espèces chimiques très réactives, radicalaires ou cationiques selon le type. Chacune peut se lier à une partie d'un monomère ou d'un oligomère, qui transfère l'activité à une autre partie, laquelle peut à son tour réagir avec un autre monomère, et ainsi de suite jusqu'à construire le polymère.

Les encres UV jet d'encre radicalaires dominent le marché en raison de leur coût relativement faible et de la vaste disponibilité des monomères, généralement des acrylates. Ceux-ci offrent une gamme de polymères aux caractéristiques de performance recherchées, d'une résistance durable à l'abrasion à la flexibilité. L'un des inconvénients de la polymérisation radicalaire est sa sensibilité inhérente à l'oxygène de l'air, si bien que les chaînes restent souvent courtes. Bien que les réactions puissent être très rapides, la réticulation cesse pratiquement lorsque la lumière UV disparaît. Les formulations ont donc une forte teneur en photo-initiateurs. Bien que les encres radicalaires représentent la grande majorité de la consommation d'encre jet d'encre à polymérisation UV, les encres UV cationiques émergent pour des besoins sophistiqués.

La polymérisation cationique offre une famille de produits chimiques entièrement différente, avec généralement une meilleure adhérence et une réaction qui se poursuit après la fin de l'exposition. Une polymérisation poussée est essentielle lorsqu'un contact alimentaire est possible et que les monomères n'ayant pas réagi sont indésirables. De plus, la poursuite de la réticulation est bénéfique pour les revêtements épais. Les encres à polymérisation UV sont nécessairement des absorbeurs d'UV : les couches inférieures des encres épaisses reçoivent donc beaucoup moins de rayonnement et ne polymérisent pas immédiatement autant que les couches supérieures, mais les encres cationiques continuent de polymériser pendant les heures suivantes.

Si les encres cationiques ne souffrent pas de l'inhibition de leur polymérisation par l'oxygène, l'humidité peut avoir un effet. Comme l'eau peut réagir avec les composés intermédiaires cationiques, une humidité relative supérieure à 80 pour cent peut retarder la polymérisation. Les encres cationiques peuvent utiliser des sources UV de plus faible énergie pour amorcer la polymérisation que les encres radicalaires. Elles génèrent moins de chaleur que les ampoules UV à mercure de forte énergie utilisées sur de nombreux systèmes radicalaires et permettent d'imprimer des substrats sensibles à la température. Les grands fabricants d'encres ne proposent pas de cationique, car les volumes demandés sont trop faibles et l'effort pour répondre aux attentes des OEM est excessif. Elles sont toutefois disponibles auprès de fabricants spécialisés désireux de développer de nouvelles applications.

De nombreux produits imprimés tridimensionnels sont tenus en main par les consommateurs et soumis à un examen visuel très rapproché. Le texte alphanumérique peut être en corps 6 ou plus petit. Pour éviter les défauts visibles et garantir la lisibilité, une impression à très haute résolution est nécessaire. L'impression jet d'encre haute résolution comporte deux composantes principales : l'espacement des points sur le substrat et la taille (volume) des gouttelettes qui forment les points. Les technologies analogiques parlent d'espacement de lignes ou de taille de trame, souvent d'environ 300 lignes par pouce, mais elles offrent une très large gamme de tailles de points, littéralement de 0 à 100 pour cent de couverture par pas de un pour cent. Les têtes d'impression jet d'encre UV ne peuvent pas encore égaler les plus petits points analogiques, et n'offrent pas non plus une échelle de gris réglable à l'infini. De plus, l'espacement natif des buses dépasse rarement 300 dpi. La haute résolution s'obtient par un placement rapproché des gouttelettes (jusqu'à 1 800 × 1 800 dpi aujourd'hui), ce qui exige plusieurs passes et de minuscules pas sur l'imprimante typique à tête oscillante. Le résultat est impressionnant, mais au prix de la vitesse d'impression.

Foire aux questions

Pourquoi les encres jet d'encre UV adhèrent-elles à certains plastiques et pas à d'autres ?

Les encres jet d'encre ont une faible viscosité et une faible tension superficielle, tandis que les plastiques chimiquement inertes comme les acétals, les polyoléfines et les polyuréthanes sont hydrophobes et naturellement non mouillables. Sans prétraitement pour augmenter l'énergie de surface du substrat, l'encre ne peut pas établir le contact intime dont l'adhérence a besoin.

Le jet d'encre peut-il reproduire les teintes directes Pantone ?

Pas de façon fiable. Les encres UV n'utilisent que des colorants pigmentaires et le jeu CMJN offre une large gamme de couleurs parce que les couches peuvent être épaisses, mais les pigments sont partiellement opaques et masquent les couleurs situées en dessous. L'intensité ne se traduit pas pleinement dans les couleurs secondaires, ce qui exclut un certain nombre de couleurs Pantone prisées par les grandes marques.

Pourquoi ne peut-on pas simplement ajouter des teintes directes à une machine jet d'encre ?

Il est beaucoup plus difficile de changer une teinte directe dans une imprimante jet d'encre qu'en impression flexographique ou analogique. Les machines à six, huit ou dix têtes d'impression pourraient les accueillir, mais la charge liée au changement de teinte rend cette approche peu populaire.

Qu'est-ce qui rend la formulation d'encre UV plus difficile que pour les autres types d'encres ?

Le formulateur doit fournir un fluide qui se micro-projette de façon fiable, polymérise rapidement et confère au film fini les propriétés physiques et chimiques requises, alors que le polymère liant ne se forme que pendant la polymérisation. Cette combinaison rend le travail plus compliqué que pour tout autre type d'encre.

Quels sont les risques d'une sous-polymérisation de l'encre UV ?

Les encres mal polymérisées sont dangereuses, et pas seulement collantes ou cassantes. La polymérisation doit être adaptée à la chimie de l'encre et aux spécifications de la lampe, et non supposée.

Pigments et palettes de couleurs

Les encres UV n'utilisent que des colorants pigmentaires, mais la gamme est large et ne constitue pas une limitation sérieuse. Les progrès de la formulation et de la fabrication d'encres permettent aux fabricants de proposer du blanc (W), particulièrement utile comme base sur des substrats de couleur foncée ou comme fond sur un support transparent. Les couleurs primaires du jet d'encre, cyan, magenta, jaune et noir (CMJN) ensemble, offrent une large gamme de couleurs parce que les couches d'encre peuvent être épaisses. Toutefois, étant à base de pigments, elles sont au moins partiellement opaques et masquent les couleurs situées en dessous. L'intensité ne se traduit pas pleinement dans les couleurs secondaires, ce qui exclut un certain nombre de couleurs Pantone prisées par les grandes marques. L'impression analogique utilise des teintes directes spécialement formulées. Elles pourraient être disponibles sur ce marché, notamment avec les machines à 6, 8 et 10 têtes d'impression, mais elles ne sont pas populaires, car il est beaucoup plus difficile de changer une teinte directe dans une imprimante jet d'encre qu'en impression flexographique ou sérigraphique. Cela va aussi à l'encontre de la capacité du numérique à changer de travail avec des images consécutives. Une alternative consiste à employer des jeux d'encres à gamme étendue, avec des encres intenses de teinte intermédiaire entre CM et J. Le rouge, le vert et le bleu (RVB), ou l'orange, le vert et le violet (OVV), sont utilisés en impression d'étiquettes et de publicité pour étendre la gamme et couvrir la plupart des couleurs de marque vives, spécifiées et intenses. Ces couleurs peuvent aussi être formulées sur mesure pour les produits plastiques tridimensionnels.

La reproduction des couleurs claires, en particulier des tons chair, est une difficulté constante pour le jet d'encre à polymérisation UV. Même les plus petites gouttelettes de CMN, désormais de seulement 4 picolitres, sont trop grosses pour le photoréalisme. Toutefois, si l'on ajoute un jeu secondaire de magenta clair (lm) et de cyan clair (lc), les défauts des points individuels sont éliminés. L'option CMJNlclmW est proposée à ce marché par les OEM d'imprimantes.

La décoloration au soleil peut être un enjeu majeur de durabilité de l'impression. Comme les encres UV utilisent des pigments et non des colorants, elles sont par nature moins sensibles à la lumière solaire que les encres de bureau. Une très bonne résistance à la décoloration est obtenue lorsque les encres sont fabriquées avec des pigments issus de l'industrie de la peinture automobile. Plus coûteux, ils sont utilisés dans les encres haut de gamme. La lumière solaire peut aussi dégrader le polymère, provoquant farinage et fragilité.

La stabilité du polymère sous UV est devenue nécessaire dès les débuts du jet d'encre UV pour répondre à l'industrie de la publicité extérieure. Elle s'obtient par le choix des monomères et des oligomères, l'incorporation de stabilisants et, dans les situations les plus exigeantes, par des vernis de surimpression. Une exposition de cinq ans à la lumière extérieure est une attente couramment satisfaite.

Les additifs sont essentiels dans toutes les formulations d'encre. Les encres pour l'impression sur plastiques contiennent couramment des promoteurs d'adhérence. La projection et la formation des gouttes, évidemment au cœur du jet d'encre, exigent des équilibres précis entre modificateurs de viscosité et tensioactifs. S'ils sont incorrects, l'encre peut se vaporiser en brouillard ou mouiller la tête, deux comportements inacceptables. Ces mêmes composés contrôlent aussi le mouillage et l'écoulement de l'encre sur le substrat, c'est-à-dire l'adhérence et l'engraissement du point. Ils sont généralement optimisés pour une chimie de surface particulière, mais il existe des limites. Par exemple, une encre qui mouille un substrat à faible énergie de surface fuira de la tête d'impression. Pour cette raison, de nombreuses surfaces doivent être traitées pour les amener dans la plage de fonctionnalité de l'encre.

Prétraitements de surface : compatibilité encre/substrat plastique

Les encres jet d'encre ont une faible viscosité et une faible tension superficielle, ce qui crée des difficultés de liaison par adhérence sur de nombreux substrats polymères tels que les acétals, les polyoléfines et les polyuréthanes. Ces types de plastiques chimiquement inertes sont hydrophobes et naturellement non mouillables. Considérons une goutte de fluide isolée sur une surface solide plane au repos (équilibre). L'angle formé par la surface solide et la tangente à la surface supérieure au point d'extrémité est appelé angle de contact ; c'est l'angle (x) entre la tangente au point de contact et la ligne horizontale de la surface solide. Voir la figure 2.

La forme de la bulle ou de la goutte résulte des forces moléculaires par lesquelles tous les liquides, par contraction de leur surface, tendent à donner au volume contenu la forme présentant la plus petite surface. Les forces intermoléculaires qui contractent la surface sont appelées « tension superficielle ». La tension superficielle, une mesure de l'énergie de surface, s'exprime en dynes/cm. Plus l'énergie de surface du substrat solide est élevée par rapport à la tension superficielle d'un liquide (eau, encres d'impression, adhésifs/encapsulation, revêtements, etc.), meilleure est sa « mouillabilité » et plus l'angle de contact est petit (figure 2). En règle générale, une adhérence de liaison acceptable est obtenue lorsque l'énergie de surface d'un substrat est supérieure d'environ 8 à 10 dynes/cm à la tension superficielle du liquide.

En réalité, les fluides et les angles de contact sont dynamiques, et non statiques. Voir la figure 3. L'angle de contact dynamique (DCA) est le plus important. Lorsqu'une goutte est fixée à une surface solide et que celle-ci est inclinée, la goutte s'élance vers l'avant et glisse vers le bas. Les angles formés sont appelés respectivement angle d'avancée (θa) et angle de recul (θr).

On considère généralement que les angles de contact sont influencés à la fois par les changements de chimie de surface et par ceux de topographie de surface. L'angle de contact d'avancée est le plus sensible aux composants de basse énergie (non modifiés) de la surface du substrat, tandis que l'angle de recul est plus sensible aux groupes oxydés de haute énergie introduits par les prétraitements de surface. L'angle de recul est donc en réalité la mesure la plus caractéristique de la composante modifiée de la surface après prétraitement, telle que mesurée à l'aide de solutions de dynes. Il est donc important de mesurer les angles de contact d'avancée et de recul sur tous les matériaux dont la surface a été modifiée.

La vitesse de la presse d'impression peut aussi influer sur la tension superficielle effective de l'encre. Une encre dont la tension superficielle mesurée statiquement est de 25 dynes pourrait se comporter dynamiquement comme une encre de 40 dynes de tension superficielle sur une presse à grande vitesse2. Les actions des têtes d'impression jet d'encre et des systèmes d'impression sur les fluides qu'ils distribuent peuvent avoir un effet significatif sur la façon dont les composants du fluide se réalignent pendant la distribution et l'interaction avec la surface imprimée et les autres couches d'encre ou de revêtement. À mesure que la fréquence d'éjection des gouttes par les têtes d'impression jet d'encre augmente et que la vitesse des imprimantes et presses jet d'encre s'accroît avec les réseaux pleine largeur à passage unique, les interactions de tension superficielle entre encres, revêtements et substrats posent des défis supplémentaires.

Les fabricants ont fortement tendance à se concentrer uniquement sur les mesures d'angle de contact comme seul indicateur des problèmes de liaison et pour les tests de surface de routine. La fonctionnalité chimique de surface, par laquelle les surfaces hydrophobes sont activées en surfaces hydrophiles collables, est tout aussi importante. Les procédés de prétraitement par oxydation de surface en phase gazeuse (« décharge luminescente ») sont utilisés pour l'activation chimique de surface. Les prétraitements de surface résolvent la plupart des problèmes d'adhérence de l'encre en augmentant l'énergie de surface du substrat et en créant une fonctionnalité chimique oxydante.

Les méthodes d'oxydation de surface en phase gazeuse comprennent la décharge corona électrique, le traitement à la flamme, le plasma froid et l'irradiation ultraviolette. Chaque méthode est propre à l'application et présente des avantages uniques et des limites potentielles. La réaction chimique et physique fondamentale qui se produit avec les électrons libres, les ions, les métastables, les radicaux et les UV, lorsqu'ils sont générés dans le plasma, peut agir sur une surface avec des énergies suffisantes pour rompre les liaisons moléculaires à la surface de la plupart des substrats polymères. Cela crée des radicaux libres très réactifs à la surface du polymère, qui peuvent à leur tour se former, se réticuler ou, en présence d'oxygène, réagir rapidement pour former divers groupes fonctionnels chimiques à la surface du substrat. Les groupes fonctionnels polaires qui peuvent se former et améliorer la collabilité comprennent les groupes carbonyle (C=O), carboxyle (HOOC), hydroperoxyde (HOO-) et hydroxyle (HO-). Même de petites quantités de groupes fonctionnels réactifs incorporés aux polymères peuvent être très bénéfiques pour améliorer la fonctionnalité chimique de surface et la mouillabilité.

Le degré ou la qualité du traitement dépend de la propreté de la surface du plastique. La surface doit être propre pour obtenir un prétraitement optimal et une bonne adhérence ultérieure de l'encre. Les contaminations de surface telles que les agents de démoulage silicone, la saleté, la poussière, la graisse, les huiles et les traces de doigts inhibent le traitement. La pureté du matériau est également un facteur important. La durée de conservation des plastiques traités dépend du type de résine, de la formulation et de l'environnement ambiant de la zone de stockage. Elle est limitée par la présence de matières telles que les antioxydants, les plastifiants, les agents de glissement et antistatiques, les colorants et pigments, les stabilisants, etc. L'exposition des surfaces traitées à des températures élevées augmente la mobilité des chaînes moléculaires : plus cette mobilité est élevée, plus le vieillissement du traitement est rapide. La mobilité des chaînes de polymère dans les matériaux traités éloigne de la surface les sites de liaison créés par le traitement. Ces composants peuvent finir par migrer vers la surface du polymère. Il est donc recommandé de coller, revêtir, peindre, imprimer ou décorer le produit le plus tôt possible après le prétraitement.

Conclusion

Le jet d'encre UV numérique révolutionne l'impression et la décoration des produits plastiques tridimensionnels. Le jet d'encre est un procédé complexe à variables multiples. L'impression sur des polymères difficiles à coller pose des défis importants, qui dépassent les encres et imprimantes standard des OEM. Les encres de faible viscosité projetées sur des plastiques à faible énergie de surface sont chimiquement et physiquement incompatibles et nécessitent fréquemment un prétraitement pour résoudre les problèmes d'adhérence. Si la technologie de polymérisation UV présente des avantages considérables, les encres mal polymérisées sont dangereuses. La compréhension des subtilités de l'impression jet d'encre et de la science des surfaces des matériaux permet de concevoir des solutions sur mesure répondant aux exigences de nouvelles applications.

Références

• “Solving the Problems of Plastics Adhesion”, Plastics Engineering, April 2011, Scott R. Sabreen, The Sabreen Group Inc.
• “Some Things to Remember About Dynamic Surface Tension”, PFFC, April 2003, Dr. Richard M. Podhajny, Ph.D.

Scott R. Sabreen est le fondateur et président de The Sabreen Group, Inc., une société d'ingénierie spécialisée dans les procédés de transformation secondaire des plastiques : prétraitements de surface, collage, décoration et finition, marquage laser et sécurité des produits. Il développe de nouvelles technologies et résout des problèmes de fabrication depuis plus de 25 ans. Vous pouvez le joindre au 888.SABREEN ou en visitant www.sabreen.com ou www.plasticslasermarking.com.

Dene Taylor, Ph.D., a fondé SPF-Inc en 2000 pour servir les industries de l'impression et de l'emballage, en se concentrant sur l'adaptation de l'impression numérique à de nouveaux marchés et applications. Nanochimiste de formation, il détient environ 25 brevets américains, dont la moitié environ concerne l'impression numérique. Il est membre de SGIA, TAPPI et Radtech. Vous pouvez le joindre à [email protected].

---